DE112018003606T5

DE112018003606T5 - Gassensor

Info

Publication number: DE112018003606T5
Application number: DE112018003606.5T
Authority: DE
Inventors: Kouji Morita; Yoshihiko Koyanagi; Hiroyuki Takabayashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-04-02
Also published as: JP2019020232A; WO2019013342A1; CN110914678A; CN110914678B; JP6740974B2; US20200150079A1

Abstract

Gassensor (1) mit einem Gehäuse (2), das ein Aufnahmeloch (21) aufweist, mit einem Sensorelement (3) mit einem Festelektrolyten und Elektroden, einem Isolator (4), der das Sensorelement (3) hält und in dem Aufnahmeloch (21) angeordnet ist, und mit einem Dichtelement (51), das aus einem Keramikpulver gebildet ist, das einen Spalt (S1) zwischen dem Aufnahmeloch (21) und dem Isolator (4) ausfüllt. Im Gassensor (1) drückt ein Crimpabschnitt (24) des Gehäuses (2) das Dichtelement (51) zusammen, und das Dichtelement (51) dichtet den Spalt (S1) ab. Das Gehäuse (2) besteht aus ferritischem Edelstahl, dessen 0,2%-Dehngrenze bei 650°C 80 MPa oder mehr beträgt.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE ÄHNLICHE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der früheren japanischen Patentanmeldung Nr. 2017 - 138355 , die am 14. Juli 2017 eingereicht wurde und deren Beschreibung hier durch Verweis aufgenommen wird, und beansprucht deren Priorität.
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Gassensor mit einem Sensorelement, bei dem die Elektroden auf einem Festelektrolyten angebracht sind.
[Stand der Technik]
Zu den Gassensoren gehören zum Beispiel Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren, Sauerstoffsensoren und NOx-Sensoren, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die Sauerstoffkonzentration und die Konzentration einer bestimmten Gaskomponente wie NOx im Abgas eines Verbrennungsmotors erfassen.
Bei einem Gassensor ist ein Sensorelement allein oder über einen Isolator in einem Aufnahmeloch eines Gehäuses vorgesehen. Ein Dichtelement wie z.B. Talkum, das einen Spalt zwischen de, Aufnahmeloch und dem Sensorelement oder dem Isolator ausfüllt, wird durch einen gecrimpten bzw. gekrimpten Abschnitt des Gehäuses zusammengedrückt. Dadurch wird das Sensorelement vom Gehäuse gehalten und die Dichtheit des Spaltes, in dem sich das Dichtelement befindet, gewährleistet.
Bei dem Gassensor, der Luft als Referenzgas verwendet, wird das Abgas, das durch das Abgasrohr eines Verbrennungsmotors strömt, in einen aus dem Gehäuse herausragenden Erfassungsabschnitt des Sensorelements eingeleitet, während die von außerhalb des Abgasrohrs angesaugte Luft in das Innere des Sensorelements geleitet wird. Da der Druck des Abgases höher als der Atmosphärendruck ist, wird durch die Dichtheit des Spaltes, in dem sich das Dichtelement befindet, verhindert, dass das Abgas durch den Spalt mit der Luft im Sensorelement vermischt wird.
Die PTL 1 offenbart eine Technik, die z.B. die Zusammensetzung des Gehäuses verändert. Bei der PTL 1 enthält das Gehäuse als Hauptbestandteil Fe, mindestens 0,02 bis 0,15 Massenprozent C, 11,5 bis 18,0 Massenprozent Cr und Nb mit der doppelten Masse von C oder mehr.
[Zitatliste]
[Patentliteratur]
[PTL 1] JP 2009-198422 A
[Kurzfassung der Erfindung]
Die Temperatur der Einbauumgebung eines Gassensors, der als Abgassensor in einer abgasführenden Umgebung eingesetzt wird, hat sich durch den Einfluss z.B. von Downsizing zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs und der motornahen Montage eines Abgasreinigungskatalysators zur frühzeitigen Temperaturerhöhung erhöht. Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gehäuses und den Wärmeausdehnungskoeffizienten des aus ferritischem Edelstahl bestehenden Abgasrohrs anzupassen, wird für das Gehäuse im Allgemeinen ein ferritischer Edelstahl wie z.B. Güteklasse 430 verwendet. Das aus Edelstahl der Güteklasse 430 geformte Gehäuse ist hervorragend in der Verarbeitbarkeit, hat aber den Nachteil, dass es bei 550 °C oder mehr eine deutlich verminderte Festigkeit aufweist.
Aus diesem Grund wird z.B. unter einer Umgebung, in der die Temperatur des gecrimpten Gehäuseabschnitts 650 °C erreicht, durch permanente Verformung des Gehäuses z.B. am gecrimpten Abschnitt die Druckkraft auf das Dichtelement wie Talkum vermindert. Je nach den Umständen kann sich das Abgas im Abgasrohr möglicherweise mit der Luft vermischen, die durch den Spalt, in dem sich das Dichtelement befindet, in das Innere des Sensorelements eingeführt wird.
Einige der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren verfügen über einen Luftkanal, der Luft in das Innere des Sensorelements leitet. In einem solchen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verursacht unverbranntes Gas bei einem kraftstoffreichen Zustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine chemische Reaktion an der dem Abgas ausgesetzten Elektrode. Dementsprechend bewegen sich die Oxidionen (O^2-) von der der Luft ausgesetzten Elektrode durch den Festelektrolyten zur dem Abgas ausgesetzten Elektrode, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand erfasst wird.
Wenn sich im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor einschließlich des Luftkanals das Abgas mit der Luft vermischt, die in das Innere des Sensorelements eingeführt wird, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand befindet, nimmt die Sauerstoffkonzentration in der Luft ab. Dadurch wird möglicherweise verhindert, dass die Oxidionen (O^2-) von der der Luft ausgesetzten Elektrode durch den Festelektrolyten auf die dem Abgas ausgesetzte Elektrode übertragen werden. In diesem Fall kann der Erfassungsbereich, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand erfasst werden kann, möglicherweise eingeschränkt werden.
Zusätzlich sind im Inneren des Gassensors Kontaktanschlüsse vorgesehen. Die Kontaktanschlüsse verbinden das Sensorelement und eine Heizung, die das Sensorelement beheizt, elektrisch mit der Außenseite des Gassensors. Wenn sich das Abgas mit der Luft vermischt, die in das Innere des Sensorelements eingeleitet wird, kann das Abgas möglicherweise die Kontaktanschlüsse erreichen. In diesem Fall können die Kontaktanschlüsse möglicherweise Korrosion verursachen, z.B. durch Feuchtigkeit und eine Stickstoffverbindung im Abgas.
Um den Erfassungsbereich, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand erfasst werden kann, oder die Korrosionsbeständigkeit der Kontaktanschlüsse zu gewährleisten, ist es daher wichtig, die Luftdichtheit des Spaltes, in dem sich das Dichtelement befindet, auch bei hohen Umgebungstemperaturen von 550°C oder mehr zu gewährleisten. Es wurde festgestellt, dass eine weitere Änderung der Zusammensetzung des Gehäusematerials erforderlich ist, um eine Abnahme der Festigkeit des gecrimpten Gehäuseabschnitts zu unterdrücken.
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, einen Gassensor zu liefern, der die dauerhafte Verformung eines Gehäuses unterdrückt und die Luftdichtheit des Gassensors unter Hochtemperaturbedingungen gewährleistet.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Gassensor mit einem Gehäuse, einem Sensorelement und einem Dichtelement. Das Gehäuse 2 enthält ein Aufnahmeloch. Das Sensorelement enthält einen Festelektrolyten und Elektroden, die sich auf beiden Seiten des Festelektrolyten befinden. Das Sensorelement wird allein oder über einen Isolator in das Aufnahmeloch eingeführt. Das Dichtelement besteht aus einem Keramikpulver, das einen Spalt zwischen dem Aufnahmeloch und dem Sensorelement bzw. dem Isolator ausfüllt. Das Dichtelement wird durch einen Teil des Gehäuses zusammengedrückt, so dass der Spalt abgedichtet wird. Das Gehäuse besteht aus ferritischem Edelstahl mit einer 0,2%igen Dehngrenze von 80 MPa oder mehr bei 650°C.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Gassensor mit einem Gehäuse, einem Sensorelement und einem Dichtelement. Das Gehäuse verfügt über ein Aufnahmeloch. Das Sensorelement enthält einen Festelektrolyten und Elektroden, die sich auf beiden Seiten des Festelektrolyten befinden. Das Sensorelement wird allein oder über einen Isolator in das Aufnahmeloch eingeführt. Das Dichtelement besteht aus einem Keramikpulver, das einen Spalt zwischen dem Aufnahmeloch und dem Sensorelement bzw. dem Isolator ausfüllt. Das Dichtelement wird durch einen Teil des Gehäuses zusammengedrückt, so dass der Spalt abgedichtet wird. Das Material, aus dem das Gehäuse besteht, ist aus ferritischem Edelstahl gebildet, der, bezogen auf die Masse, 15 bis 25 % Cr, 0,01 bis 1,0 % Nb, 0,5 bis 4 % mindestens eines der Elemente W und Mo allein oder insgesamt und den Rest enthält: Fe und unvermeidliche Verunreinigungen einschließlich C, N, Mn und Si.
[Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung]
Nach dem Gassensor des ersten Aspekts wird, da das Gehäuse aus ferritischem Edelstahl besteht, der bei 650°C eine 0,2%ige Dehngrenze (die im Folgenden einfach als Dehngrenze bezeichnet werden kann) von 80 MPa oder mehr aufweist, eine Abnahme der Festigkeit des Gehäuses unter Hochtemperaturbedingungen von 550°C oder mehr unterdrückt. Bei dieser Gehäusekonfiguration bleibt auch unter hohen Umgebungstemperaturen von 550°C oder mehr die Kraft, mit der ein Teil des Gehäuses das Dichtelement zusammendrückt, erhalten und die durch das Dichtelement erzielte Luftdichtheit des Spaltes zwischen dem Aufnahmeloch des Gehäuses und dem Sensorelement oder dem Isolator bleibt erhalten.
Somit unterdrückt der Gassensor des ersten Aspekts die bleibende Verformung des Gehäuses und gewährleistet die Luftdichtheit des Gassensors unter Hochtemperaturbedingungen.
Der Gassensor des anderen Aspekts unterdrückt die Abnahme der Festigkeit des Gehäuses unter Hochtemperaturbedingungen von 550°C oder mehr durch eine Veränderung der Gehäusezusammensetzung. Das Material, aus dem das Gehäuse besteht, erhöht die Streckgrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr und behält gleichzeitig die geringe thermische Ausdehnung bei, die eine Eigenschaft des ferritischen rostfreien Stahls bzw. Edelstahls ist, der 15 bis 25 Massenprozent Cr (Chrom) in Fe (Eisen) enthält, um der Ausdehnung auch bei Erwärmung zu widerstehen.
Genauer gesagt, um die Fließgrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr zu erhöhen, enthält das Material, aus dem das Gehäuse besteht, neben Cr 0,01 bis 1,0 Massenprozent Nb (Niob) und 0,5 bis 4 Massenprozent von mindestens einem der Elemente W (Wolfram) und Mo (Molybdän) allein oder insgesamt in Fe. Dadurch wird die bleibende Verformung des Gehäuses bei hohen Temperaturen von 550°C und mehr unterdrückt. Dadurch bleibt auch bei hohen Umgebungstemperaturen von 550°C und mehr die Kraft erhalten, mit der ein Teil des Gehäuses das Dichtelement zusammendrückt, und die Dichtheit des Spaltes zwischen dem Aufnahmeloch des Gehäuses und dem Sensorelement bzw. dem durch das Dichtelement erhaltenen Isolator bleibt erhalten.
Somit reduziert der Gassensor der anderen Seite auch die bleibende Verformung des Gehäuses und gewährleistet die Luftdichtheit des Gassensors unter Hochtemperaturbedingungen.
Bezugszeichen in Klammern, die für Bestandteile in einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, zeigen die Übereinstimmung mit Bezugszeichen in der Zeichnung der Ausführungsform an und beschränken die Bestandteile nicht auf den Inhalt der Verkörperung.
Figurenliste
Die oben beschriebene Aufgabe, die Eigenschaften und Vorteile werden durch die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Figuren deutlicher, in denen das Folgende gezeigt ist:

1 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Querschnitt eines Gassensors nach einer Ausführungsform darstellt;
2 ist ein teilweise vergrößertes Erklärungsdiagramm, das den Querschnitt des Gassensors entsprechend der Ausführungsform darstellt;
3 ist ein erläuterndes Diagramm, das den Querschnitt eines Sensorelements des Gassensors entsprechend der Ausführungsform darstellt;
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das den Querschnitt eines weiteren Gassensors entsprechend einer Ausführungsform darstellt;
5 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen dem Material, aus dem ein Gehäuse besteht, und der Fließgrenze nach Test 1 eines Verifikationsversuchs bzw. -tests zeigt;
6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Gehäusetemperatur und der Fließgrenze nach Test 3 des Verifikationstests;
7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Wärmebehandlungstemperatur des Gehäuses und der Streckgrenze bei Raumtemperatur gemäß Test 4 des Verifikationstests;
8 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Glühtemperatur und der Niederschlagsmenge bzw. Ausscheidungsmenge der Laves-Phase gemäß Test 5 des Verifikationstests zeigt; und
9 ist eine Grafik, die die Leckagemenge zeigt, die im Gehäuse gemäß Test 7 der Verifikationstests aufgetreten ist.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Es wird ein Gassensor nach einer bevorzugten Ausführung beschrieben.
Als Verfahren zur Erhöhung der Streckgrenze des Werkstoffs bei hoher Temperatur, also der Hochtemperaturfestigkeit, sind eine Ausscheidungsverfestigung und eine Substitutionsmischkristallverfestigung allgemein als wirksam bekannt. Es ist allgemein bekannt, dass das Verfahren der Ausscheidungsverfestigung das Material durch Ausscheidung von Karbid oder Nitrid durch die Zugabe von Elementen wie Nb, Mo, W, Si und Cu verfestigt. Da die Methode der Ausscheidungsverstärkung die Hochtemperaturfestigkeit deutlich erhöht, ist die Methode wirksam bei der Erhöhung der Luftdichtheit unter Hochtemperaturbedingungen.
Bei der Methode der Ausscheidungsverstärkung kann sich jedoch in einer Hochtemperaturumgebung, in der der als Abgassensor dienende Gassensor eingesetzt wird, der Gehäusewerkstoff unerwünscht ausscheiden, wodurch das Material spröde wird. Zusätzlich kann sich bei der Ausscheidungsverfestigungsmethode bei einem Crimpprozess bzw. Krimpverfahren durch elektrische Erwärmung des Gehäuses der Niederschlag auflösen, so dass der Effekt der Verbesserung der Warmfestigkeit des Materials nicht erreicht wird. Darüber hinaus erhöht das Ausscheidungsverfestigungsverfahren zwar die Streckgrenze des Materials bei hohen Temperaturen, die Verarbeitbarkeit, wie z.B. der Verformungswiderstand, die Dehnung und die Zähigkeit des Materials bei Raumtemperatur verschlechtern sich jedoch deutlich. Aus diesen Gründen wird die Herstellung des Gehäuses durch Kaltschmieden schwierig, und die Produktionskosten des Gehäuses können sich möglicherweise erhöhen.
Bei der Substitutionsmethode der Mischkristallverfestigung wird die Versprödung des Materials unter Hochtemperaturbedingungen und der Verlust des Verbesserungseffekts der Hochtemperaturfestigkeit des Materials wenig beachtet. Außerdem unterdrückt das Verfahren die Verschlechterung der Verarbeitbarkeit des Materials. Dadurch wird die Verschlechterung der für das Gehäuse notwendigen Kaltschmiedeverarbeitbarkeit unterdrückt.
Der Index der Kaltschmiedeverarbeitbarkeit umfasst den Verformungswiderstand, die Dehnung und die Zähigkeit bei Raumtemperatur. Die Elemente, die bei der Substitutionsmischkristallverfestigung eingesetzt werden, können Nb, W, Mo, Ta und V sein. Zusätzlich kann neben der Reduzierung des Kohlenstoffgehaltes und der Reduzierung des Stickstoffgehaltes die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur durch Glühen verbessert werden.
Die Herstellung des Gehäuses wird durch Methoden wie Warmschmieden und Schneiden erleichtert. Für einen Gassensor, der in Serie gefertigt werden soll, sind die Verfahren jedoch angesichts der Herstellungskosten nicht geeignet. Die Herstellung des Gehäuses durch Kaltschmieden ist im Hinblick auf die Herstellungskosten besser geeignet. Außerdem ist es sinnvoll, das Gehäuse durch Kaltschmieden herzustellen, um die Härte zu erhöhen, damit die Form eines Gewindeabschnitts oder eines Sechskantabschnitts des Gehäuses nicht durch die Befestigungskraft beschädigt wird, wenn der Gassensor z.B. am Abgasrohr montiert wird. Nach der Kaltmassivumformung weist zumindest ein Teil des Gehäuses eine Härte von Hv220 oder mehr durch Kaltverfestigung des Gehäusewerkstoffes auf. Deshalb ist es wichtig, die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur sicherzustellen.
Bei dem Gassensor des einen Aspekts kann das Material, aus dem das Gehäuse besteht, 15 bis 25 Massenprozent Cr, 0,01 bis 1,0 % Nb und 0,5 bis 2 % von mindestens einem der Elemente W und Mo allein oder insgesamt enthalten, und der Rest kann aus Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen einschließlich C, N, Mn und Si bestehen.
In diesem Fall wird durch Veränderung der Gehäusezusammensetzung ein Material mit einer Dehngrenze von 80 MPa oder mehr bei 650°C gebildet. Das Material, aus dem das Gehäuse besteht, erhöht die Streckgrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr, während es gleichzeitig eine geringe thermische Ausdehnung beibehält. Dies ist die Eigenschaft von ferritischem Edelstahl, der 15 bis 25 Massenprozent Cr (Chrom) in Fe (Eisen) enthält, um der Ausdehnung auch bei Erwärmung zu widerstehen.
Genauer gesagt, um die Fließgrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr zu erhöhen, enthält das Material, aus dem das Gehäuse besteht, neben Cr 0,01 bis 1,0 Massenprozent Nb (Niob) und 0,5 bis 2 Massenprozent von mindestens einem der Elemente W (Wolfram) und Mo (Molybdän) allein oder insgesamt in Fe. Dies verbessert die Dehngrenze bei hohen Temperaturen von 550°C und mehr. Die Erhöhung der Dehngrenze bzw. der Relaxationsbeständigkeit (Spannungsrelaxation und Verschleißfestigkeit) unter höheren Temperaturen unterdrückt die bleibende Verformung des Gehäuses. Dadurch behält der gekrimpte Abschnitt des Gehäuses auch bei hohen Umgebungstemperaturen von 550°C oder mehr die Kraft zum Zusammendrücken des Dichtelementes bei, so dass das Dichtelement die Luftdichtheit des Spaltes zwischen dem Aufnahmeloch des Gehäuses und dem Sensorelement oder dem Isolator aufrechterhält.
Die oben beschriebene Zusammensetzung des Gehäusematerials unterdrückt somit die bleibende Verformung des Gehäuses und gewährleistet die Dichtheit des Gassensors unter Hochtemperaturbedingungen. Die Sicherstellung der Luftdichtheit gewährleistet z.B. die Abdeckung des Erfassungsbereichs, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand erfasst werden kann, und die Korrosionsbeständigkeit der Kontaktanschlüsse.
Selbst wenn Stahl, dem das Mischkristallverstärkungselement zugesetzt wird, einer Mischkristallbehandlung unterzogen wird, ist die Verschlechterung der Verarbeitbarkeit gegenüber dem Ausgangsmaterial unvermeidlich. Hinsichtlich des Verformungswiderstandes und der Dehnung ist allgemein bekannt, dass ein Zwischenglühen beim Kaltschmieden die Verarbeitung erleichtert. Es ist jedoch ein Widerspruch, dass das Zwischenglühen die zur Verarbeitung notwendige Energie erhöht, was die Verarbeitungskosten erhöht, und dass das Bauteil durch äußere Kräfte beim Einbau verformt werden kann, da die Härte als Bauteil nicht ausreichend ist.
Als Mittel zur Verbesserung der Zähigkeit ist es bekanntlich wirksam, einen unbearbeiteten Gehäusewerkstoff mehrfach einem Drahtziehverfahren zu unterziehen, um die Kristalle feiner zu machen. Allerdings steht auch hier im Widerspruch dazu, dass die Bearbeitungskosten erhöht werden. Als Mittel zur Verbesserung der Zähigkeit ist es auch bekannt, dass es z.B. zum Aufwärmen vor dem Schmieden wirksam ist. Allerdings besteht auch hier der Widerspruch, dass die Verarbeitungskosten erhöht werden und die Kontrolle der Temperatur mit Kosten verbunden ist.
Zusätzlich kann die Zähigkeit durch Zugabe von 0,15 bis 0,6 Massenprozent Ni zum Gehäusewerkstoff verbessert werden. Da in diesem Fall jedoch der Verformungswiderstand erhöht wird, kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit während des Schmiedeprozesses nicht erhöht werden, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
Welche der oben genannten Mittel zu wählen ist, hängt daher von der Konstruktion ab.
Im Folgenden wird die chemische Zusammensetzung beschrieben.
(Inhalt von Cr)
Der Gehalt an Cr im gesamten Material, aus dem das Gehäuse besteht, beträgt 15 bis 25 Massenprozent. Dies gewährleistet z.B. die Oxidationsbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die geringe thermische Ausdehnung, die der ferritische Edelstahl erreicht. Bei einem Cr-Gehalt von weniger als 15 Massenprozent kann der Gehäusewerkstoff unter Umständen Eigenschaften wie Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit nicht ausreichend aufweisen. Übersteigt der Cr-Gehalt 25 Massenprozent, so nimmt die Zähigkeit mit zunehmendem Verformungswiderstand ab, und die Verarbeitbarkeit kann sich möglicherweise verschlechtern. In Anbetracht der Tatsache, dass das Gehäuse durch Kaltschmieden geformt wird, beträgt der Cr-Gehalt vorzugsweise 21% oder weniger Masse, besser 18% oder weniger Masse. Der Gehalt an Cr ist eine Frage der Konstruktion, die je nach Bedarf in dem Bereich eingestellt wird, der die Eigenschaften wie Oxidationsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit gewährleistet.
(Inhalt von Nb)
Da der Gehäusewerkstoff Nb enthält, wird die Streckgrenze des Gehäusewerkstoffes bei hohen Temperaturen von 550°C und mehr erhöht. Da das Material, aus dem das Gehäuse besteht, Nb enthält, wird die Sensibilisierung zusätzlich unterdrückt. Stöchiometrisch ist der Gehalt an Nb gleich dem Gehalt an C und N für die Sensibilisierungsresistenz notwendig. Da die chemische Bindung zwischen Nb mit C und N jedoch ein stochastisches Ereignis ist, muss das Nb bis zu einem gewissen Grad im Überschuss vorhanden sein. So ist z.B. allgemein bekannt, dass der Gehalt an Nb vorzugsweise das Dreifache des Gesamtgehaltes an C und N als Anforderung an den Edelstahl 430LX beträgt.
Da das Material, aus dem das Gehäuse besteht, Nb enthält, werden zusätzlich feine NbC-Kristalle gebildet. Der feine Kristall dient als Ausgangspunkt, um die Vergröberung des Gefüges während der Wärmebehandlung und die Verschlechterung der Zähigkeit zu unterdrücken.
Es ist bekannt, dass die Verbesserung der Dehngrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr, die durch den Gehalt an Nb erreicht wird, zu ca. 1,0 Massenprozent gesättigt ist. Je größer der Nb-Gehalt, desto größer wird der Verformungswiderstand und desto schlechter wird die Verarbeitbarkeit des Gehäuses. Daher ist es vorzuziehen, nicht mehr Nb als nötig zu enthalten. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass das Gehäuse durch Kaltverarbeitung geformt wird, beträgt der Gehalt an Nb vorzugsweise 1,0 Masse-% oder weniger, und noch bevorzugter 0,5 Masse-% oder weniger.
Wenn der Nb-Gehalt weniger als 0,01 Massenprozent beträgt, besteht die Möglichkeit, dass der Vorteil des Nb-Gehalts nicht erreicht wird.
(Inhalt von W und Mo)
Da das Material, aus dem das Gehäuse besteht, mindestens eines von W und Mo enthält, wird die Dehngrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr erhöht.
Liegt der Gehalt an mindestens einem von W und Mo allein oder insgesamt unter 0,3 Massenprozent, wird der Vorteil einer Erhöhung der Fließgrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr nicht ausreichend erreicht. Übersteigt der Gehalt an mindestens einem der beiden Stoffe W und Mo allein oder insgesamt 2 Masse-%, so erhöht sich der Verformungswiderstand des Werkstoffes, so dass sich die Verarbeitbarkeit des Gehäuses möglicherweise verschlechtert.
Während die Sublimationstemperatur eines Mo-Oxids (Mo3O) ca. 700°C beträgt, liegt die Sublimationstemperatur eines W-Oxids (WO3) bei ca. 1000°C. Als Gehäusematerial bzw. - werkstoff ist es daher vorzuziehen, W mit einer höheren Sublimationstemperatur zu verwenden. Darüber hinaus ist das Atomgewicht von W größer als das von Mo, und W diffundiert weniger wahrscheinlich als Mo. Wenn der Werkstoff W enthält, wird erwartet, dass sich die Kriechbeständigkeit des Werkstoffs verbessert, und auch die Relaxationsbeständigkeit soll sich verbessern.
Elemente wie Ta (Tantal) und V (Vanadium) werden auch als Elemente bezeichnet, die die Fließgrenze des Gehäusewerkstoffs bei hohen Temperaturen erhöhen. Beachten Sie, dass das Material, aus dem das Gehäuse besteht, aus Gründen der Verfügbarkeit und aus wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise Nb, W und Mo allein oder in Kombination enthält.
(Gehalt an Mn und Si)
Mn (Mangan) und Si (Silizium) unterdrücken die Abblätterung einer Oxidschicht und verbessern die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit. Insbesondere wenn der Schwerpunkt auf die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit gelegt wird, ist es effektiv, den Gehalt an Mn und Si im Material, aus dem das Gehäuse besteht, auf 0,05 Masse-% oder mehr einzustellen. Es ist bekannt, dass eine Erhöhung des Gehalts an Mn und Si die Sprödigkeit verschlechtert. Aus diesem Grund ist es bei dem Material des vorliegenden Gehäuses, das die Kaltverarbeitbarkeit erhalten muss, wünschenswert, dass der Gehalt an Mn und Si gering ist. Der Gesamtgehalt an Mn und Si beträgt vorzugsweise 2,0 Massenprozent oder weniger, und noch bevorzugter 1,5 Massenprozent oder weniger.
(Inhalt von P und S)
S (Schwefel) ist zwar als spanabhebende Komponente beim Schneiden bekannt, ist aber eine unvermeidbare und schwer zu reduzierende Verunreinigung. Wenn der Gehalt an P (Phosphor) und S groß ist, können sie die Korrosionsbeständigkeit verringern und zur Ursache von Lunkern beim Schweißen werden. Daher ist der Gehalt an P (Phosphor) und S vorzugsweise gering. Der Gehalt an P und S im Material, aus dem das Gehäuse besteht, sollte auf 0,07 Masse-% oder weniger, vorzugsweise auf 0,05 Masse-% oder weniger, kontrolliert werden.
(Inhalt von C und N)
C (Kohlenstoff) ist ein typisches Mischkristall-Element. Zusätzlich bildet C mit Elementen wie Nb und Ti ein Karbid, so dass das Kristallkornwachstum unterdrückt wird. Um diesen Effekt zu erreichen, muss der C-Gehalt im Material, aus dem das Gehäuse besteht, mindestens 0,001 Massenprozent betragen. C und N (Stickstoff) sind unvermeidbare, schwer zu reduzierende Verunreinigungen, die eine Verschlechterung der Kaltverarbeitbarkeit und der Zähigkeit sowie eine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit verursachen. So beträgt der Gehalt an C und N vorzugsweise insgesamt 0,12% oder weniger Masse, und noch bevorzugter 0,03% oder weniger Masse allein.
(Gehalt an Ni)
Wie Cu ist Ni (Nickel) ein Element, das die Tieftemperaturzähigkeit verbessert. Mit anderen Worten: Ni (Nickel) senkt die duktile Sprödigkeitsübergangstemperatur des Gehäusewerkstoffs, um das Schneiden und das Kaltschmieden des Gehäuses zu erleichtern. Um einen solchen Effekt zu erzielen, sollte der Ni-Gehalt vorzugsweise 0,1 Massenprozent oder mehr betragen.
Wird der Ni-Gehalt erhöht, erhöht sich der Verformungswiderstand, so dass sich die Verarbeitbarkeit verschlechtert. Da Ni ein austenitstabilisierendes Element ist, kann sich bei einem zu hohen Gehalt möglicherweise in einem Teil des Materials ein Austenitgefüge bilden. Aus diesem Grund kann sich der Wärmeausdehnungskoeffizient unerwünscht erhöhen, und es kann sich ein zweiphasiger rostfreier Stahl, in dem ein Austenitgefüge mit einem Ferritgefüge vermischt ist, unerwünscht entwickeln. Dadurch kann sich die Verarbeitbarkeit des Materials möglicherweise erheblich verschlechtern. Wie oben, darf das Material, aus dem das Gehäuse besteht, 0,1 bis 0,6 Massenprozent Ni enthalten.
(Inhalt von Al)
Das Material, aus dem das Gehäuse besteht, darf ferner 0,15 bis 0,6 Masse-% mindestens eines der Elemente Al und Ti allein oder insgesamt enthalten.
Da das Material, aus dem das Gehäuse besteht, mindestens eines von Al (Aluminium) und Ti (Titan) enthält, wird die Oxidationsbeständigkeit des Materials verbessert. Wenn das Material, aus dem das Gehäuse besteht, Mo enthält, wird zusätzlich die Diffusion von Mo in das Material unterdrückt, da das Material, aus dem das Gehäuse besteht, mindestens eines von Al und Ti enthält. Dadurch wird die Kriechfestigkeit des Materials verbessert.
Ausführungsform
Ein Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform enthält, wie in den bis dargestellt, ein Gehäuse 2, das ein Aufnahmeloch 21 aufweist, ein Sensorelement 3, das einen Festelektrolyten 31 enthält, Elektroden 32A und 32B, die auf beiden Seiten des Festelektrolyten 31 vorgesehen sind, einen Isolator 4, der das Sensorelement 3 hält und in dem Aufnahmeloch 21 angeordnet ist, und ein Dichtelement 51, das aus einem Keramikpulver gebildet ist, das einen Spalt S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 und dem Isolator 4 ausfüllt. Im Gassensor 1 wird durch einen Crimpabschnitt bzw. gekrimpten Abschnitt 24 des Gehäuses 2 das Dichtelement 51 zusammengedrückt, so dass das Dichtelement 51 den Spalt S1 abdichtet.
(Verbrennungsmotor)
Der Gassensor 1 befindet sich in einem Abgasrohr 7 eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs und erfasst das im Abgasrohr 7 strömende Abgas G. Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführung wird als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet, der das aus der Zusammensetzung des Abgases G errechnete Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Verbrennungsmotors erfasst. Der Gassensor 1 kann vor einem Abschnitt, in dem sich ein Katalysator befindet, im Abgasrohr 7 angeordnet sein.
Wie in 3 dargestellt, wird im Luft/Kraftstoff-Sensor eine vorgegebene Spannung zur Darstellung der Grenzstromkennlinie zwischen einer Detektionselektrode 32A, die sich auf der einen Seite des Festelektrolyten 31 befindet und dem Abgas G ausgesetzt ist, und einer Referenzelektrode 32B, die sich auf der anderen Seite des Festelektrolyten 31 befindet und Luft A ausgesetzt ist, angelegt. Wenn sich die Sauerstoffkonzentration des Abgases G ändert, ändern sich die Migrationsmenge und die Migrationsrichtung der Oxidionen (O^2-) zwischen der Detektionselektrode 32A und der Referenzelektrode 32B, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im kraftstoffreichen und im kraftstoffarmen Zustand in einem vorgegebenen Detektionsbereich erfasst.
Da im Luft/Kraftstoff-Sensor eine Spannung zwischen der Detektionselektrode 32A und der Referenzelektrode 32B angelegt wird, bewegen sich bei einem kraftstoffarmen Zustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Oxidionen (O^2-) von der Detektionselektrode 32A zur Referenzelektrode 32B durch den Festelektrolyten 31. Ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand, da das unverbrannte Gas in der Detektionselektrode 32A eine chemische Reaktion verursacht, bewegen sich die Oxidionen (O^2-) von der Bezugselektrode 32B durch den Festelektrolyten 31 zur Detektionselektrode 32A.
Der Druck des Abgases G, das in den Gassensor 1 geleitet wird, ist oft höher als der Luftdruck, der in den Gassensor 1 geleitet wird. Aus diesem Grund wird der Spalt S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 und dem Isolator 4 durch das Dichtelement 51 abgedichtet, damit sich das in den Gassensor 1 angesaugte Abgas G nicht mit der in den Gassensor 1 angesaugten Luft A vermischt.
Der Gassensor 1 kann eine Sauerstoffsonde sein, die bestimmt, ob das aus der Zusammensetzung des Abgases G gewonnene Luft-Kraftstoff-Verhältnis im brennstoffreichen Zustand oder im brennstoffarmen Zustand in Bezug auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch EIN und AUS vorliegt.
(Sensorelement 3)
Die Richtung, in der sich der Abschnitt des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform im Abgasrohr 7 befindet, wird als distale Richtung L1 und die der distalen Richtung L1 entgegengesetzte Richtung als proximale Richtung L2 bezeichnet.
Der Festelektrolyt 31 des in 3 dargestellten Sensorelements 3 enthält als Hauptbestandteil Zirkoniumdioxid und besteht aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid oder teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid, in dem Seltene Erdmetallelemente oder Erdalkalimetallelemente Teile des Zirkoniumdioxids ersetzen. Der Festelektrolyt 31 kann z.B. aus yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid oder yttriumoxid-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid bestehen. Der Festelektrolyt 31 hat eine Ionenleitfähigkeit, die bei einer vorgegebenen Aktivierungstemperatur Oxidionen (O^2-) leitet. Die Elektroden 32A und 32B enthalten Platin, das eine katalytische Aktivität für Sauerstoff aufweist, und Material, das die gleichen Eigenschaften hat wie das Material, aus dem der Festelektrolyt 31 besteht.
Das Sensorelement 3 der vorliegenden Ausführung ist ein laminiertes Sensorelement, bei dem sich die Elektroden 32A, 32B auf beiden Seiten des plattenförmigen Festelektrolyten 31 befinden und auf den Festelektrolyten 31 eine Heizung 35 auflaminiert ist. Das Sensorelement 3 wird durch das Gehäuse 2 in einem Zustand gehalten, in dem das Sensorelement 3 in den Isolator 4 eingesetzt ist. Die Heizung 35 besteht aus einem Heizelement 352, das sich in einem Keramiksubstrat 351 befindet. Das Heizelement 352 wird durch die Anwendung von elektrischem Strom beheizt.
Wie in den Bildern 1 und 2 dargestellt, füllt das Dichtelement 51 den Spalt S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 der vorliegenden Ausführung und dem Isolator 4 aus. Das Dichtelement 51 ist ein Keramikpulver aus Talkum. Des Weiteren befindet sich in proximaler Richtung L2 des Dichtelements 51 ein Isolierkörper 52 wie Keramik und in proximaler Richtung L2 des Isolierkörpers 52 ein Metallring 53. Das Dichtelement 51, das Isolierelement 52 und der Metallring 53 werden durch des gekrimpten Abschnitt 24, die durch das Einwärtsbiegen eines proximalen Endabschnitts 240 des Gehäuses 2 gebildet wird, sicher gequetscht. In diesem Zustand sind das Dichtelement 51, das Isolationselement 52 und der Metallring 53 von der proximalen Richtung L2 in Richtung der distalen Richtung L1 gepresst.
Außerdem kann das Sensorelement 3, wie in 4 gezeigt, becherförmig sein. Das heißt, die Elektroden 32A und 32B befinden sich auf der Außenseite und der Innenseite des Festelektrolyten 31, der rohrförmig ist und ein geschlossenes Ende hat, und die Heizung 35 befindet sich im Inneren des Festelektrolyten 31. In diesem Fall wird der Isolator 4 nicht verwendet, und das Sensorelement 3 wird direkt durch das Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 gehalten. Der Spalt S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 und dem Sensorelement 3 wird durch das Dichtelement 51 abgedichtet, das die Druckkraft aus der Verpressung 24 des Gehäuses 2 aufnimmt. Die anderen Strukturen des Gassensors 1 der 4 sind die gleichen wie die des Gassensors 1 der 1.
(Form des Gehäuses 2)
Wie in 1 dargestellt, bildet das Gehäuse 2 das Gehäuse des Gassensors 1 und ist ein Bauteil zur Befestigung des Gassensors 1 am Abgasrohr 7. Das Gehäuse 2 hat die Form eines Zylinders mit dem Aufnahmeloch 21 im Mittelteil und umfasst einen Gewindeabschnitt 22, einen Sechskantflanschabschnitt 23 und den gekrimpten Abschnitt 24. Dar Gewindeabschnitt 22 wird in eine Gewindebohrung 711 in einem Montageansatz 71 des Abgasrohres 7 geschraubt. Der Sechskantflanschabschnitt 23 ist neben dem Gewindeabschnitt 22 in proximaler Richtung L2 ausgebildet und bildet die äußere Umfangsfläche, die am weitesten nach außen ragt. Der gekrimpte Abschnitt 24 wird neben dem Flanschabschnitt 23 in proximaler Richtung L2 gebildet.
Wie in 2 dargestellt, enthält das Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 eine Bohrung 211 mit kleinem Durchmesser, eine Bohrung 212 mit großem Durchmesser, die zur proximalen Richtung L2 der Bohrung 211 mit kleinem Durchmesser ausgebildet und größer als die Bohrung 211 mit kleinem Durchmesser ist, und eine Stufe 213, die zwischen der Bohrung 211 mit kleinem Durchmesser und der Bohrung 212 mit großem Durchmesser ausgebildet ist. Der gekrimpte Abschnitt 24 bildet die Bohrung 212 mit großem Durchmesser. In der Bohrung mit großem Durchmesser 212 befinden sich das Dichtelement 51, das Isolierelement 52 und der Metallring 53.
(Isolator 4)
Der Isolator 4 enthält eine Einsteckbohrung 41, die das Sensorelement 3 aufnimmt, eine Aussparung 42, die sich in proximaler Richtung L2 an die Einsteckbohrung 41 anschließt, und einen Vorsprung 43, der die äußere, am weitesten nach außen ragende Umfangsfläche bildet. Wenn sich der Isolierkörper 4 in dem Aufnahmeloch21 des Gehäuses 2 befindet, befindet sich der Vorsprung 43 in der Bohrung mit großem Durchmesser 212 und der Vorsprung 43 steht über z.B. ein Metallteil 431 der Stufe 213 gegenüber. In der Bohrung mit großem Durchmesser 212 befinden sich das Dichtelement 51, das Isolierelement 52 und der Metallring 53. Das Dichtelement 51, das Isolierelement 52 und der Metallring 53 werden zwischen dem Vorsprung 43 und dem gekrimpten Teil 24 zusammengedrückt, indem das gekrimpte Teil 24 nach innen gebogen wird. Weiterhin werden bei in die Einsteckbohrung 41 eingesetztem Sensorelement 3 Isolationspartikel 44 wie z.B. ein Keramikpulver in die Aussparung 42 eingebracht. Das Sensorelement 3 wird vom Isolator 4 durch die Isolationspartikel 44 zurückgehalten.
Wie in 2 dargestellt, wird im Gassensor 1 ein Spalt S2 zwischen dem Sensorelement 3 und der Einsteckbohrung 41 des Isolators 4 durch die Isolierpartikel 44 und der Spalt S1 zwischen dem Isolator 4 und dem Aufnahmeloch21 des Gehäuses 2 durch das Dichtelement 51 abgedichtet. Durch die Lage der Isolationspartikel 44 und des Dichtelements 51 wird verhindert, dass das Abgas G, das den Abschnitt des Isolators 4 in distaler Richtung L1 anströmt, von der distalen Richtung L1 des Isolators 4 in proximale Richtung L2 durch die Spalte S1 und S2 strömt.
Wie in 1 und 3 dargestellt, befindet sich das Elektrodenpaar 32A und 32B an einem distalen Endabschnitt 36 des Sensorelements 3 und bildet so einen Erfassungsabschnitt 361 zur Gasdetektion bzw. -erfassung. Der Erfassungsabschnitt 361 enthält einen Diffusionswiderstandsteil 331, der das Abgas G mit einer vorgegebenen Diffusionsrate in die Detektorelektrode 32A einleitet. Die Detektionselektrode 32A befindet sich in einer Gaskammer 33, die mit dem Diffusionswiderstandsteil 331 verbunden ist. Obwohl nicht dargestellt, bildet sich eine Schutzschicht aus poröser Keramik um den Erfassungsabschnitt 361. Der distale Endabschnitt 36 des Sensorelements 3 ist dem Abgas G ausgesetzt.
Wie in 2 und 3 dargestellt, werden die Leitungsabschnitte 321, die jeweils mit dem Elektrodenpaar 32A und 32B verbunden sind, und ein Leitungsteil 353 des Heizelements 352 der Heizung 35 zu einem proximalen Endabschnitt 37 des Sensorelements 3 herausgezogen. Der distale Endabschnitt 36 des Sensorelements 3 ragt aus dem Isolator 4 und dem Gehäuse 2 in distaler Richtung L1 und der proximale Endabschnitt 37 des Sensorelements 3 ragt aus dem Isolator 4 und dem Gehäuse 2 in proximaler Richtung L2.
(Kontaktanschluss 54)
Ein weiterer Isolator 4A befindet sich in proximaler Richtung L2 des Isolators 4. Auf dem anderen Isolator 4A befinden sich die Kontaktanschlüsse 54 für den elektrischen Anschluss des Sensorelements 3 und der Heizung 35. Die Leitungsabschnitte 321 der Elektroden 32A und 32B des Sensorelements 3 und der Leitungsabschnitt 353 des Heizelements 352 der Heizung 35 erstrecken sich vom distalen Endabschnitt 36 des Sensorelements 3 und werden vom proximalen Endabschnitt 37 des Sensorelements 3 herausgezogen. Die Kontaktanschlüsse 54 umfassen eine, die mit den Leitungsabschnitten 321 der Elektroden 32A und 32B und eine, die mit dem Leitungsteil 353 des Heizelements 352 in Kontakt steht.
Die Kontaktanschlüsse 54 sind aus leitfähigem Metall gebildet und kontaktieren das Sensorelement 3 durch Anpresskraft, die durch elastische Verformung entsteht. Im Innern des Sensorelements 3 wird ein Kanal 34 für die Lufteinführung A zur Referenzelektrode 32B gebildet. Der Kanal 34 ist im proximalen Endabschnitt 37 des Sensorelements 3 offen, und die Luft A wird vom proximalen Endabschnitt 37 des Sensorelements 3 zur Referenzelektrode 32B geleitet.
(Schutzabdeckung 61 und proximale Endabdeckung 62)
Wie in 1 dargestellt, wird am Gehäuseteil 2 in distaler Richtung L1 eine Schutzabdeckung 61 montiert, die den distalen Endabschnitt 36 des Sensorelements 3 zum Schutz des Sensorelements 3 abdeckt. Eine proximale Endabdeckung 62, der Komponenten wie die Kontaktanschlüsse 54, den anderen Isolator 4A und an die Kontaktklemmen 54 angeschlossene Leitungsdrähte 55 aufnimmt, ist auf dem Gehäuseteil 2 in proximaler Richtung L2 montiert. Die Schutzabdeckung 61 enthält die Abgasdurchgangsbohrungen 611, durch die das Abgas G strömt. Das Abgas G strömt durch die Abgasdurchgangsbohrungen 611 in die Schutzabdeckung 61, die in die Detektionselektrode 32A des Sensorelements 3 eingeführt wird, und strömt durch die Abgasdurchgangsbohrungen 611 nach außen aus der Schutzabdeckung 61 heraus.
In der proximalen Endabdeckung 62 ist eine Lufteinführungsöffnung 621 ausgebildet. Die Lufteinführungsöffnung 621 ist mit einem Filter 622 versehen, der die Luft A durchlässt und gleichzeitig den Wasserdurchtritt verhindert. Die in die proximale Endabdeckung 62 eingeleitete Luft A wird vom proximalen Endabschnitt 37 des Sensorelements 3 in den Kanal 34 eingesaugt und der Referenzelektrode 32B im Kanal 34 zugeführt. Die proximale Endabdeckung 62 wird am äußeren Umfang des proximalen Endabschnitts 240 des Gehäuses 2 montiert, an dem der gecrimpte Abschnitt 24 ausgebildet ist. Eine Buchse 56, die die Zuleitungsdrähte 55 aufnimmt, befindet sich im proximalen Endabschnitt der proximalen Endabdeckung 62.
(Zusammensetzung des Gehäuses 2)
Das Gehäuse 2 der vorliegenden Ausführung besteht aus ferritischem Edelstahl mit einer 0,2%igen Dehngrenze von 80 MPa oder mehr bei 650°C. Das Gehäuse 2 erhöht die Streckgrenze des Materials bei hohen Temperaturen von 550°C oder mehr, wobei die geringe thermische Ausdehnung des ferritischen Edelstahls mit 15 bis 25% Massenanteil an Cr in Fe beibehalten wird.
Das Gehäuse 2 der vorliegenden Ausführungsform enthält Fe (Eisen), Cr (Chrom), Nb (Niob), Ni (Nickel) und Al (Aluminium) als Bestandteile und Mn (Mangan), Si (Silizium), C (Kohlenstoff) und N (Stickstoff) als unvermeidliche Verunreinigungen.
Das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, hat die Zusammensetzung, die, bezogen auf die Masse, 15 bis 25 % Cr, 0,01 bis 1,0 % Nb, 0,5 bis 4 % W, 1,5 % oder weniger Mn und Si, 0,1 bis 0,6 % Ni, 0,15 bis 0,6 % Al, 0,03 % oder weniger C und N insgesamt und den Rest enthält: Fe. C, N, Mn und Si werden als unvermeidbare Verunreinigungen behandelt. Anstelle von W kann Mo verwendet werden, und W und Mo können gemischt verwendet werden.
Die Kristallstruktur des Werkstoffs, aus dem das Gehäuse 2 besteht, ist eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur mit der Ferritstruktur. Das Ferritgefüge hat die Eigenschaft, der Wärmeausdehnung gegenüber dem Austenitgefüge zu widerstehen. Der Gewindeabschnitt 22 des Gehäuses 2 wird in die Gewindebohrung 711 des Befestigungsstutzens 71 des Abgasrohres 7 geschraubt, so dass der Gassensor 1 auf dem Abgasrohr 7 montiert wird. Da das durch das Abgasrohr 7 strömende Abgas G eine hohe Temperatur von 550°C oder mehr hat, werden der Gewindeabschnitt 22 und die Gewindebohrung 711 auf eine hohe Temperatur von 550°C oder mehr erhitzt.
Der Befestigungsstutzen 71 des Abgasrohrs 7 ist oft aus ferritischem Edelstahl geformt. Da die Kristallstruktur des Gehäuses 2 die Ferritstruktur ist, ist die Metallstruktur, die den Gewindeabschnitt 22 und die Gewindebohrung 711 bildet, die Ferritstruktur. So liegen der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gewindeabschnitts 22 und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Gewindebohrung 711 nahe beieinander. Dadurch wird verhindert, dass der Gewindeabschnitt 22 und die Gewindebohrung 711 durch Wärmeeinwirkung miteinander verklebt oder thermisch gefressen werden.
Das Gehäuse 2 der vorliegenden Ausführung wird durch eine Mischkristallwärmebehandlung im Rohmaterialzustand vor dem Schmieden geformt. Bei der Mischkristall-Wärmebehandlung wird eine Ausscheidung wie z.B. Karbid, das aus Nb, W, Mn, Si, Ni und A1 bestehen kann, in das Grundmaterial, also Fe, aufgelöst. Die Mischkristall-Wärmebehandlung erfolgt durch Erwärmung des Gehäusewerkstoffes 2 auf eine vorgegebene Wärmebehandlungstemperatur und anschließende Abkühlung des Gehäusewerkstoffes 2. Ist die Wärmebehandlungstemperatur niedrig, löst sich der bei der langsamen Abkühlung in der Werkstoffbearbeitung entstehende Niederschlag nicht ausreichend in Fe auf. Bei zu hoher Wärmebehandlungstemperatur kann der Ferritkristall möglicherweise vergröbert werden, was die Dehnung und die Zähigkeit des Materials verschlechtert.
Laves-Phase bekannt als intermetallische Verbindung wie Fe2W, Fe2Mo und Fe2Nb wird in der Mutterphase des Gehäuses 2 gebildet. Obwohl die Laves-Phase die Dehngrenze bei Raumtemperatur und bei hohen Temperaturen verbessert, erhöht die Laves-Phase den Verformungswiderstand und verringert die Zähigkeit. Daher ist es wünschenswert, dass der Gehalt der Laves-Phase gering ist. Die Wärmebehandlung zum Lösen der Laves-Phase im Grundmaterial des Gehäuses 2 beträgt vorzugsweise 850°C oder mehr, noch bevorzugter 850 bis 1000°C. Als Ergebnis der Studie der Erfinder wurde festgestellt, dass die Erwärmung des Materials des Gehäuses 2 auf eine Wärmebehandlungstemperatur von 850°C oder mehr den Gehalt der Laves-Phase reduziert und die Verarbeitbarkeit des Materials des Gehäuses 2 bei Raumtemperatur verbessert. Die Temperatur der Wärmebehandlung wird durch die Berechnung des Gleichgewichtszustandes zwischen den Metallen im Gehäuse 2 vorhergesagt, und die Laves-Komponente wird entsprechend der Zusammensetzung des Additivs im Gehäuse 2 eingestellt.
Die Niederschlagsmenge der Laves-Phase in der Mutterphase des Gehäuses 2 beträgt vorzugsweise weniger als 0,1 Massenprozent. Wenn die Ausscheidungsmenge 0,1 Massenprozent oder mehr beträgt, kann die Zähigkeit des Materials unter Umständen deutlich abnehmen.
Ist die Temperatur der Wärmebehandlung, die das Material des Gehäuses 2 erwärmt, zu niedrig, wird die Laves-Komponente nicht ausreichend gelöst. Dies kann die Zähigkeit unerwünscht verschlechtern. Ist die Temperatur der Wärmebehandlung jedoch zu hoch, vergröbert sich die Ausscheidung von NbC und das Ferrit-Kristallkorn, was die Zähigkeit des Materials verschlechtert. In diesem Fall können bei der Wärmebehandlung unerwünschte Fremdstoffe wie Zunder entstehen. Dies kann möglicherweise die für die Wärmebehandlung erforderliche Eingangsenergie erhöhen und die Herstellungskosten verschlechtern.
Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung auf eine höhere Temperatur von 1250°C oder mehr eingestellt wird, löst sich NbC im Material des Gehäuses 2. Abgesehen von der Vergröberung des Ferritkristalls, die ein Problem darstellt, ist es jedoch schwierig, die Wärmebehandlung bei 1250°C oder mehr an dem Material des Gehäuses 2 durchzuführen, das dem Drahtzug unterzogen wurde.
(Herstellungsverfahren)
Im Folgenden wird eine Methode zur Herstellung des Gehäuses 2 und des Gassensors 1 kurz beschrieben.
Die Herstellung des Gehäuses 2 der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet das Schmelzen des Metallmaterials wie Fe, Nb, W, Mn, Si, Ni und Al, das Ziehen des Metallmaterials zu einem länglichen Element mit einer vorbestimmten Querschnittsform, das Unterziehen des Metallmaterials der Mischkristall-Wärmebehandlung, das Scheren des länglichen Metallmaterials zur Bildung einzelner Metallwerkstücke, das Unterziehen jedes Metallwerkstücks einem Kaltschmieden, um das Metallwerkstück in das Gehäuse 2 zu formen, und das Schneiden des Metallwerkstücks in die Form des Gehäuses 2, um die endgültige Form des Gehäuses 2 vor der Montage zu bilden. Insbesondere, da Fe Ni enthält, wird die Zähigkeit des Metallwerkstoffs verbessert, was die Ausführung der Scherung und des Kaltschmiedens des Metallwerkstoffs erleichtert.
Bei der Herstellung des Gassensors 1 wird der gekrimpte Abschnitt 24 des Gehäuses 2 zur Sicherung durch Quetschen bzw. Crimpen bzw. Krimpen verformt. Bei der Montage des Gehäuses 2 bei der Herstellung des Gassensors 1 wird der Isolator 4, in dem das Sensorelement 3 gehalten wird, wie in 2 dargestellt in das Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 eingesetzt. Das Dichtelement 51, das Isolierelement 52 und der Metallring 53 werden in den Spalt S1 zwischen dem Isolierkörper 4 und dem Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 gelegt. Das proximale Endstück 240 des Gehäuses 2 wird über den gesamten Umfang nach innen gebogen, um es durch Vercrimpung zu sichern. Die Verpressung kann durch thermisches Crimpen erfolgen, bei dem der proximale Endabschnitt 240 auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, um sich leicht verformen zu lassen.
Die Erwärmung des proximalen Endabschnitts 240 erfolgt durch Anlegen von Strom an den proximalen Endabschnitt 240 des Gehäuses 2, um einen dicken Abschnitt 241 mit kleinem Durchmesser des proximalen Endabschnitts 240 auf eine Temperatur von 550°C oder mehr bis 1000°C oder weniger zu erwärmen. Da das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, eine geeignete Menge an Nb und eine begrenzte Menge an C und N enthält, wird zu diesem Zeitpunkt die Verringerung der Konzentration von Cr in Fe und die Sensibilisierung des Materials, aus dem der proximale Endabschnitt 240 besteht, unterdrückt. Dadurch bleibt die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs des Gehäuses 2 erhalten.
Weiterhin wird nach der Montage der proximalen Endabdeckung 62 am Außenumfang des gekrimpten Abschnitts 24 des Gehäuses 2 ein Montageabschnitt 623 (siehe 2) der proximalen Endabdeckung 62 teilweise mit dem Gehäuse 2 verschweißt. In einem solchen Fall wird der gecrimpte Abschnitt 24 durch die beim Schweißen entstehende Wärme auf 550°C oder mehr und 1000°C oder weniger erhitzt. Da das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, eine geeignete Menge an Nb und eine begrenzte Menge an C und N enthält, wird auch zu diesem Zeitpunkt die Verringerung der Konzentration von Cr in Fe und die Sensibilisierung des Materials, aus dem der proximale Endabschnitt 240 besteht, unterdrückt. Dadurch bleibt die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs des Gehäuses 2 erhalten.
(Härte des Gehäuses 2)
Die Härte des gekrimpten Abschnitts 24 des Gehäuses 2 der vorliegenden Ausführung liegt zumindest im Auslieferungszustand des Gassensors 1 im Bereich von Hv220 bis Hv400 in Vickershärte. Dadurch ist die Dehngrenze des Werkstoffs, aus dem das Gehäuse 2 besteht, hoch, und die bleibende Verformung des Gehäuses 2 wird unterdrückt. Die Vickershärte ist ein Wert, der nach dem „Vickers Härtetest“ des japanischen Industriestandards (JIS) Z 2244 ermittelt wird. JIS Z 2244 entspricht der ISO-Norm ISO6507.
Ist die Härte des durch Kaltschmieden hergestellten Gehäuses 2 geringer als Hv220, ist die Dehngrenze auch bei Raumtemperatur gering. Bei der Montage des Gassensors 1 am Abgasrohr können daher den Gewindeabschnitt 22 und den Flanschabschnitt (Sechskantprofil) 23 unerwünscht beschädigt werden. Wenn die Härte des gecrimpten Abschnitts 24 unter Hv220 liegt, kann es außerdem vorkommen, dass andere Abschnitte als der gecrimpte Abschnitt 24 beim Crimpen unbeabsichtigt verformt werden. Es ist nicht wünschenswert, dass die Härte des gekrimpten Abschnitts 24 über Hv400 liegt, da die Herstellung schwierig ist und ein Riss durch Verformung unerwünscht sein kann.
Wenn der Metallwerkstoff für die Formung des Gehäuses 2 einer Glühbehandlung unterzogen wird, bei der der Metallwerkstoff auf eine Temperatur von ca. 780°C erhitzt wird, beträgt die erreichbare Vickershärte ca. Hv160 bis Hv180. Im Gegensatz dazu wird der Metallwerkstoff für die Formung des Gehäuses 2 der vorliegenden Ausführungsform auf 850 bis 1000°C erhitzt, um die Mischkristall-Wärmebehandlung durchzuführen. So erreicht das Gehäuse 2 eine Vickershärte von Hv220 oder mehr.
Da das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, die oben genannten Gehalte an z.B. Nb, W und Ni im Material gelöst enthält, wird die Warmfestigkeit verbessert. Da das Gehäuse 2 durch Kaltschmieden geformt wird, entsteht außerdem ein Kornfluss (Faserverlauf) in der Metallstruktur des Werkstoffs, aus dem das Gehäuse 2 besteht. Dadurch bleibt die Härte des Gehäuses 2 hoch.
(Operativer Vorteil)
Bei dem Gassensor 1 der vorliegenden Ausführung wird, da das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, die oben erwähnte Zusammensetzung hat, die Festigkeit des gekrimpten Abschnitts 24 des Gehäuses 2 unter Hochtemperaturbedingungen von 550°C oder mehr unterdrückt. Das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, enthält neben Cr 0,01 bis 1,0 % Masseanteile an Nb und 0,5 bis 4 % Masseanteile an W in Fe. Dadurch wird die bleibende Verformung des Gehäuses 2 bei hohen Temperaturen von 550°C und mehr unterdrückt. Dadurch behält der gekrimpte Teil 24 des Gehäuses 2 auch bei hohen Temperaturen von 550°C und mehr die Kraft zum Zusammendrücken des Dichtelementes 51 bei, so dass das Dichtelement 51 die Luftdichtheit des Spaltes S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 und dem Sensorelement 3 bzw. dem Isolator 4 aufrechterhält.
Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführung unterdrückt somit die bleibende Verformung des Gehäuses 2 und gewährleistet die Luftdichtheit des Gassensors 1 unter Hochtemperaturbedingungen.
Da der Gassensor 1 der jetzigen Ausführung als Luft/Klima-Sensor verwendet wird, ergeben sich durch die Beibehaltung der Luftdichtheit des Gassensors 1 folgende Vorteile.
Da beim Luftkissensensor die Hochtemperaturfestigkeit des gecrimpten Abschnitts 24 des Gehäuses 2 erhalten bleibt, wird verhindert, dass das Abgas G mit der in das Sensorelement 3 angesaugten Luft A vermischt wird. Dadurch wird verhindert, dass das Innere des Kanals 34 des Sensorelements 3 mit dem Abgas G anstelle der Luft A gefüllt wird. So wird insbesondere im kraftstoffreichen Zustand des aus dem Abgas G gewonnenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Verbrennungsmotors verhindert, dass die Oxidionen (O^2-) nicht von der Bezugselektrode 32B über den Festelektrolyten 31 auf die Detektionselektrode 32A übertragen werden können. Wenn der Luft/Kraftstoff-Sensor das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand erfasst, bleibt der große Erfassungsbereich des kraftstoffreichen Zustandes erhalten. Der Erfassungsbereich bezieht sich auf den Bereich (Skala), in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im kraftstoffreichen Zustand in einem vorgegebenen Fehlerbereich erfasst werden kann.
Auch wenn der Gassensor 1 nicht als Luft/Kraftstoffsensor verwendet wird, da die Luftdichtheit des Gassensors 1 erhalten bleibt, ergibt sich folgender Vorteil.
Beim Gassensor 1 wird, da die Hochtemperaturfestigkeit des gekrimpten Abschnitts 24 des Gehäuses 2 erhalten bleibt, eine Vermischung des Abgases G mit der im Sensorelement 3 angesaugten Luft A verhindert. Dadurch wird verhindert, dass das Abgas G direkt mit den Metall-Kontaktanschlüsse 54, die das Sensorelement 3 kontaktieren, in Berührung kommt. So wird verhindert, dass die Kontaktanschlüsse 54 z.B. durch Feuchtigkeit oder Stickstoffverbindungen im Abgas G korrodiert werden.
<Verifikationstest>
(Test 1)
Im Test 1 wurde das Verhältnis zwischen dem Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, und der Dehngrenze gemessen. 5 zeigt die Änderungen der Dehngrenze (MPa) von legiertem Stahl mit 17 Massenprozent Cr und 0,35 % Nb in Fe bei 650°C, wenn der Gehalt an W auf 0, 1, 2 und 4 Massenprozent geändert wurde. Die Abbildung zeigt, dass mit zunehmendem Gehalt an W die Dehngrenze zunimmt.
Wie hier verwendet, bezieht sich die Dehngrenze auf die Elastizitätsgrenze (Streckgrenze). Da das Material auch Material enthält, das die Streckgrenze nicht eindeutig anzeigt, wird anstelle der Streckgrenze die 0,2%-Dehngrenze verwendet. Die 0,2%-Dehngrenze wurde nach JIS Z 2241 (entsprechende internationale Norm) gemessen: ISO 6892-1) oder JIS G 0567 (entsprechende internationale Norm: ISO 6892-2).
Wenn der Gehalt an W jedoch 2 Massenprozent überschreitet, steigt die Fließgrenze nicht mehr an, und bei 2 Massenprozent ist die Erhöhung der Fließgrenze gesättigt. Steigt der W-Gehalt, verschlechtert sich die Verarbeitbarkeit wie z.B. die Duktilität. So wurde festgestellt, dass der Gehalt an W im Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, vorzugsweise 2 % oder weniger der Masse beträgt. Ist der Gehalt an W zu gering, sinkt auch die Fließgrenze. Der Gehalt an W beträgt daher vorzugsweise 0,3 Massenprozent oder mehr.
Beachten Sie, dass Mo die gleiche Eigenschaft wie W hat. Wenn das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, Mo statt W enthält, ist der Gehalt an Mo ebenfalls vorzugsweise 0,3 bis 2 Massenprozent.
(Test 2)
In Test 2 wurde die Luftdichtheit mit dem Gehäuse 2 eines Testproduktes untersucht, das aus legiertem Stahl mit 17% Cr, 0,35% Nb und 2% W in Fe hergestellt wurde, und mit dem Gehäuse 2 eines Vergleichsproduktes aus rostfreiem Stahl (Güteklasse 430) mit 17% Cr in Fe. Im Test 2 wurde der Gassensor 1 mit jedem Gehäuse 2 gebildet. Es wurde festgestellt, ob im Spalt S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 und dem Isolator 4 in jedem Gassensor 1 eine Leckage von Abgas G auftrat.
Im Test 2 wurden 3000 Zyklen der Erwärmung und Abkühlung des Gehäuses 2 durchgeführt. Bei jedem Zyklus wird der sechseckige Abschnitt des Gehäuses 2 (der Abschnitt, in dem der Außendurchmesser am größten ist) auf 650°C erwärmt und dann mit Luft auf 50°C oder weniger abgekühlt. Während der sechseckige Teil des Gehäuses 2 auf 650°C erwärmt und der Druck am Sensorelement 3 auf 0,4 MPa eingestellt wurde, wurde die Leckagemenge am Spalt S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 und dem Isolator 4 gemessen. Wurde am Spalt S1 eine Leckage von 1 cc/min oder mehr verursacht, wurde festgestellt, dass das Gehäuse 2 nicht luftdicht war. Betrug die Leckage des Abgases G am Spalt S1 weniger als 1 cm³/min, wurde festgestellt, dass das Gehäuse 2 luftdicht war.
Als Ergebnis der Durchführung der Tests wurde das Gehäuse 2 des Vergleichsprodukts als nicht luftdicht und das Gehäuse 2 des Testprodukts als luftdicht beurteilt. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass mit dem Gehäuse 2 des Prüflings die Luftdichtheit des Spaltes S1 zwischen dem Aufnahmeloch 21 des Gehäuses 2 und dem Isolator 4 zuverlässig eingehalten wird.
(Test 3)
Im Test 3 wurden die Änderungen der Dehngrenze bei Temperaturänderung untersucht, wobei das Gehäuse 2 des Testproduktes aus legiertem Stahl mit einem Massenanteil von 17% Cr, 0,35% Nb und 2% W in Fe und das Gehäuse 2 des Vergleichsproduktes aus rostfreiem Stahl (Güteklasse 430) mit einem Massenanteil von 17% Cr in Fe gebildet wurde. Als Gehäuse 2 des Testproduktes wurden ein Testprodukt 1 und ein Testprodukt 2 vorbereitet. Das Testprodukt 1 wurde erhalten, indem das Material des Gehäuses 2 einem Glühvorgang unterzogen wurde, bei dem das Material auf ca. 780°C erhitzt und anschließend abgekühlt wurde. Das Testprodukt 2 wurde durch eine Mischkristall-Wärmebehandlung des Materials des Gehäuses 2 gewonnen, bei der das Material auf ca. 950°C erhitzt und anschließend abgekühlt wurde. Das Gehäuse 2 des Vergleichsprodukts wurde dem Glühprozess einer Erwärmung auf ca. 780°C und anschließender Abkühlung unterzogen. Die Grafik der Dehngrenze der Prüfprodukte 1 und 2 und des Vergleichsproduktes zeigt das Ergebnis im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 700°C.
Wie in 6 dargestellt, ist die Dehngrenze beim Gehäuse 2 des Prüfproduktes 1, das dem Glühvorgang unterzogen wurde, in einem weiten Temperaturbereich höher als beim Gehäuse 2 des Vergleichsproduktes. Da aber auch die Dehngrenze bei Raumtemperatur hoch ist, ist die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur schlecht. Im Gegensatz dazu ist bei dem Gehäuse 2 des Prüfproduktes 2, das der Mischkristall-Wärmebehandlung unterzogen wurde, die Dehngrenze nur dann höher als das Gehäuse 2 des Vergleichsproduktes, wenn die Temperatur in einem hohen Bereich liegt. Im Falle des Gehäuses 2 des Prüfproduktes 2 ist die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur gut, da die Dehngrenze bei Raumtemperatur niedrig gehalten wird. So wurde festgestellt, dass die Verwendung des Gehäuses 2, das der Mischkristallwärmebehandlung unterzogen wurde, die Luftdichtheit des Gassensors 1 unter Hochtemperaturbedingungen gewährleistet und die Verarbeitbarkeit des Gehäuses 2 verbessert, wenn z.B. das Kaltschmieden bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
(Test 4)
Im Test 4 wurden die Änderungen der Dehngrenze (MPa) bei Raumtemperatur bei Änderung der Temperatur für die Wärmebehandlung des Werkstoffs des Gehäuses 2 untersucht, wobei das Gehäuse 2 des Testprodukts aus legiertem Stahl mit einem Massenanteil von 17,1 % Cr, 0,35 % Nb und 2,00 % W in Fe gebildet wurde. Wie in 7 dargestellt, ist die Dehngrenze bei Raumtemperatur bei einer Wärmebehandlungstemperatur von ca. 750°C hoch und sinkt bei einer Wärmebehandlungstemperatur von ca. 900°C. Bei einer Wärmebehandlungstemperatur über 900°C ändert sich die Dehngrenze nicht.
Man kann sagen, je geringer die Dehngrenze bei Raumtemperatur ist, desto besser ist die Verarbeitbarkeit, wenn das Gehäuse 2 bei Raumtemperatur kalt geschmiedet wird. Zum Vergleich ist auch ein Fall dargestellt, in dem die Dehngrenze bei ca. 750°C mit dem Gehäuse 2 des Vergleichsproduktes aus Edelstahl (Güteklasse 430) mit 16,8 Massenprozent Cr in Fe untersucht wurde. Da Nb und W dem Vergleichsprodukt nicht zugesetzt werden, ist die Dehngrenze bei Raumtemperatur ursprünglich gering.
Mit der maximalen Umformbelastung beim Kaltschmieden am Gehäuse 2 des Vergleichsproduktes als Referenz wurde untersucht, wie klein die maximale Umformbelastung beim Kaltschmieden am Gehäuse 2 des Versuchsproduktes reduziert werden kann. Es wurde festgestellt, dass in einem Fall, in dem die Wärmebehandlungstemperatur auf die Temperatur für die Durchführung des Glühens, die 780 °C beträgt, eingestellt wird, die maximale Umformbelastung beim Kaltschmieden um das 1,1-fache der des Vergleichsprodukts erhöht wird. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass in einem Fall, in dem die Wärmebehandlungstemperatur auf die Temperatur für die Durchführung der Mischkristallwärmebehandlung, die 900 °C beträgt, eingestellt wird, die maximale Umformbelastung beim Kaltschmieden auf eine Belastung nahe der maximalen Umformbelastung des Vergleichsprodukts gesenkt wird.
So kann man sagen, dass die Durchführung der Mischkristallwärmebehandlung bei einer Temperatur von 850°C oder mehr, vorzugsweise 900°C oder mehr, die Verarbeitbarkeit des Werkstoffs zur Formung des Gehäuses 2 beim Kaltschmieden verbessert. Der Grund dafür ist, dass die Wärmebehandlung bei hoher Temperatur die Laves-Phase, die eine Art intermetallische Verbindung wie Fe2W und Fe2Mo ist, in der Mutterphase des Gehäuses 2 auflöst. Es ist bekannt, dass die Erzeugung der Laves-Phase zwar zur Verbesserung der Warmfestigkeit beiträgt, die Zähigkeit jedoch deutlich verringert wird. Daher ist die Niederschlagsmenge der Laves-Phase im Material des Gehäuses 2 vorzugsweise kleiner als 0,1 Massenprozent.
(Test 5)
Im Test 5, der eine Werkstoffprüfung ist, wurde der gelöste Zustand der Laves-Phase durch die Mischkristallwärmebehandlung (Glühen) untersucht. Die Zusammensetzung des zu beurteilenden Materials enthält, bezogen auf die Masse, 17% Cr, 0,35% Nb, 2% W, 0,02% C + N, 0,02% P + S, 0,9% andere unvermeidbare Verunreinigungen wie Si und Mn, und den Rest: Fe. Die Korngröße des zu bewertenden Materials wurde durch Warmschmieden auf die Korngrößenzahl Nr. 5 bis Nr. 9 eingestellt, die der Korngröße des Drahtziehmaterials entspricht. Das Material, dessen Korngröße eingestellt worden war, wurde erneut einer Wärmebehandlung (Glühen) unterzogen und nach einer 4-stündigen Verweilzeit bei einer vorgegebenen Temperatur wurde eine quantitative Analyse der gelösten Menge der Laves-Phase durchgeführt. Die Korngrößenzahl ist in JIS G 0551 festgelegt. JIS G 0551 entspricht der ISO643 der ISO-Normen.
8 zeigt, wie stark die Laves-Phase in der Mutterphase ausgeschieden wurde, als die Wärmebehandlungstemperatur von 700 auf 900°C geändert wurde. Wie in der Grafik dargestellt, nimmt mit steigender Wärmebehandlungstemperatur die Ausscheidungsmenge (Masse-%) der Laves-Phase ab, so dass die Laves-Phase in der Mutterphase stärker gelöst wird. Insbesondere wurde festgestellt, dass bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 850°C oder mehr die Ausscheidungsmenge der Laves-Phase weniger als 0,1 Massenprozent beträgt. Daraus wird abgeleitet, dass die Einstellung der Wärmebehandlungstemperatur auf 850°C oder mehr einen größeren Anteil der Laves-Phase in der Mutterphase löst und die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur verbessert.
Die Temperatur, die die Laves-Phase in der Mutterphase auflöst, lässt sich aus der Berechnung des Gleichgewichtszustandes zwischen zwei Metallen vorhersagen. Da sich die Wärmebehandlungstemperatur entsprechend der Zusammensetzung des Werkstoffs, aus dem das Gehäuse 2 besteht, ändert, kann die Wärmebehandlungstemperatur bei Bedarf auf eine Temperatur von mehr als 850°C eingestellt werden.
Für die Laves-Phase sind verschiedene quantitative Analysemethoden bekannt. Ein Beispiel für die Methoden wird im Folgenden gezeigt.
Eine der quantitativen Analysemethoden für die Laves-Phase kann eine Methode zur Analyse von extrahierten Rückständen sein. Bei der Methode der Extraktrückstandsanalyse werden die Ausfällungen in Proben des Eingangsmaterials und des gealterten Materials extrahiert und getrennt. Die Ausfällungen werden weiter in die Laves-Phase und andere Ausfällungen (wie Karbid und Nitrid) getrennt, um die quantitative Analyse durchzuführen. Bei der Extrakt-Rückstandsanalytik wird die Elektrolyse-Extraktion durchgeführt, und zwar mit einer 10%igen Acetylaceton-1%igen Tetramethylammoniumchlorid-Methanol-Lösung als Elektrolytlösung, wobei eine Konstantstrom-Elektrolyse mit einer Stromdichte von 20 mA/cm2 eingesetzt wird. Nach der Elektrolyse wurde die Filtration mit einem Nukleporenfilter mit einem Bohrungsdurchmesser von 0,2 µm durchgeführt und in ein Filtrat und einen Rückstand getrennt. Die Ausscheidungen wie NbC und die Laves-Phase wurden durch eine Gewichtsanalyse und eine Röntgenbeugungsanalyse (XRD-Analyse) des Rückstandes getrennt.
(Test 6)
Im Test 6, einem Test zur Untersuchung der Zusammensetzung, wurden die Zusammensetzungen der zu bewertenden Proben 1 bis 7 nach Bedarf verändert und der Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung hinsichtlich der 0,2%-Dehngrenze und der Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur untersucht. Die Zusammensetzung des zu beurteilenden Materials und die Art und Weise der Wärmebehandlung des Materials entsprachen denen in Test 5.
Die Grundzusammensetzung der Proben 1 bis 7 ist eine Zusammensetzung, die, bezogen auf die Masse, 16,8 bis 17,1% Cr, 0 oder 0,35% Nb, 0 bis 4% W, 0,02% C + N, 0,02% P + S, 0,9% andere unvermeidbare Verunreinigungen wie Si und Mn und den Rest enthält: Fe. In den Proben 1 bis 7 wurde der Gehalt an W verändert und je nach Bedarf Mo oder Ni enthalten.
Die Zusammensetzung der Proben 1 bis 7 und die Testergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die 0,2% Dehngrenze bei 650°C wird als ein Wert eruiert bzw. gezeigt, der durch einen statischen Zugversuch an einem JIS Nr. 4 Test- bzw. Probestück erhalten wird. Wenn die 0,2% Dehngrenze 80 MPa oder mehr betrug, was die für die Aufrechterhaltung der Luftdichtheit notwendige Dehngrenze ist, wurde es als ein gutes Produkt beurteilt (Ausgezeichnet), und andere wurden als kein gutes Produkt beurteilt (Schlecht). Das Bestimmungskriterium der 0,2% Dehngrenze ist abhängig von der Produktform und nicht absolut festgelegt.
Die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur wurde gemessen als der Verformungswiderstand bei Raumtemperatur (20°C), die Dehnung bei Raumtemperatur und die duktile Sprödübergangstemperatur.
Der Verformungswiderstand bei Raumtemperatur wird als Wert bei 70% Stauchung durch einen zylindrischen Kompressions- bzw. Stauchversuch (Verformungsgeschwindigkeit 6,0/sek), der das Kaltschmieden simuliert, angegeben. Wenn der Verformungswiderstand weniger als 800 MPa betrug, wurde es als gutes Produkt bewertet (Ausgezeichnet), und andere wurden als nicht gutes Produkt bewertet (Schlecht). Das Bestimmungskriterium des Verformungswiderstandes ist abhängig vom Schmiedeprozess und nicht absolut.
Die Dehnung bei Raumtemperatur wird als ein Wert angegeben, der durch die Durchführung des statischen Zugversuchs an einem JIS Nr. 4-Probestück erhalten wird. Wenn die Dehnung so groß war, dass beim Schmieden kein Bruch auftritt, wurde es als gutes Produkt beurteilt. Das Bestimmungskriterium der Dehnung ist abhängig vom Schmiedeprozess und nicht absolut.
Die Zähigkeitsübergangstemperatur wird als ein Wert angegeben, der durch einen Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy (2 mm V-Kerbe, Auswertung alle 10°C) ermittelt wird. Basierend auf dem Kriterium, dass beim Schneiden und Schmieden des Drahtziehmaterials kein Bruch auftritt, wenn die Zähigkeitsübergangstemperatur niedriger als die Raumtemperatur ist, die 25°C beträgt, wurde es als ein gutes Produkt beurteilt (Ausgezeichnet), und in anderen Fällen wurde es als kein gutes Produkt beurteilt (Schlecht). Die duktile Sprödübergangstemperatur bezieht sich auf eine vorgegebene Temperatur, unterhalb der der Werkstoff an Zähigkeit verliert und schlagzäh wird. Im Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy wurde eine Energie von 50 J/cm2 aufgebracht, um den Test durchzuführen.
In der Tabelle 1, die die Ergebnisse des Tests 6 zeigt, war die Beurteilung der 0,2% Dehngrenze für den Prüfling 1, der die Zusammensetzung des aktuellen Gehäuses 2 des Gassensors 1 hat und kein Nb und W enthält, schlecht. Obwohl der Gehalt an Nb und W angemessen ist, war die Beurteilung der Dehnung bei Raumtemperatur für die Probe 2, die der Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 780°C unterzogen wurde, schlecht. Obwohl Nb und W enthalten sind, war die Beurteilung der Dehnung bei Raumtemperatur für die Probe 5, in der der Gehalt an W größer als 2 Massenprozent ist, schlecht.
Die Proben 3, 4 und 7, die einen entsprechenden Gehalt an W, der 1 oder 2 Massenprozent beträgt, aufweisen und bei einer entsprechenden Wärmebehandlungstemperatur von 900°C behandelt werden, erwiesen sich in der 0,2%igen Dehngrenze und der Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur als hervorragend. Die Probe 6, die Mo anstelle von W enthält, und die Probe 7, die Ni zusammen mit W enthält, erwies sich in der 0,2%-Dehngrenze und der Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur als hervorragend.
Als Ergebnis des Tests 6 wurde festgestellt, dass die 0,2% Dehngrenze bei 650°C mit dem Probekörper 2, der entsprechende Nb und W enthält, im Vergleich zum Probekörper 1, dessen Zusammensetzung häufig im Gehäuse 2 des vorliegenden Gassensors 1 verwendet wird, verbessert wird. Da die Wärmebehandlungstemperatur jedoch nur 780°C beträgt, so dass die Laves-Phase im Gefüge des Werkstoffes verbleibt, verschlechtert sich nach dem Muster 2 die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur und insbesondere die Zähigkeit deutlich.
Im Vergleich zu Probe 2, nach den Proben 3 und 4, die bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 900°C behandelt wurden, wurde, obwohl die 0,2%-Dehngrenze bei 650°C abnahm, eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur durch die Abnahme des Verformungswiderstandes bei Raumtemperatur, die Verbesserung der Dehnung und die Abnahme der Zähigkeitsübergangstemperatur beobachtet. Nach den Mustern 3 bis 5 wurde der Inhalt von W verändert. Es wurde festgestellt, dass wenn der Gehalt an W 2 Massenprozent erreicht, die 0,2% Dehngrenze bei 650°C gesättigt ist, und wenn der Gehalt an W 2 Massenprozent übersteigt, die Verschlechterung der Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur signifikant wird.
Da die Probe 6 statt W 2% Mo-Masse enthält, wurde festgestellt, dass die 0,2%-Dehngrenze und die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur mit denen der Probe 4, die W enthält, übereinstimmen. Da die Probe 7, bezogen auf die Masse, 2 % W und 1 % Ni enthält, wurde festgestellt, dass zwar der Verformungswiderstand bei Raumtemperatur erhöht, aber die Zähigkeitsübergangstemperatur verbessert wird.
(Test 7)
Im Test 7 zur Produktbewertung wurde eine Testung bzw. Prüfung zur Untersuchung der Luftdichtheit des Gehäuses 2 mit der Zusammensetzung der Proben 1, 3 und 4 des Tests 6 durchgeführt. Das Gehäuse 2 mit jeder Zusammensetzung wurde durch Kaltschmieden geformt. Der Gassensor 1 mit dem Gehäuse 2 mit der jeweiligen Zusammensetzung wurde auf das Rohr montiert und Gas mit 650°C und 0,4 MPa (Überdruck) durch das Rohr geleitet. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Leckagemenge des Gases an dem gekrimpten Abschnitt 24 des Gehäuses 2 des Gassensors 1 gemessen.
9 zeigt das Ergebnis der Messung der Leckagemenge nach den Gassensoren 1 mit den Zusammensetzungen der Proben 1, 3 und 4. Die Leckagemenge wird als Wert im Normalzustand angegeben. Wie in der Grafik dargestellt, wurde festgestellt, dass die Leckagemenge der Proben 3 und 4 weniger als 1,0 mL/min betrug und die Luftdichtheit des Gehäuses 2 gewährleistet war. Bei Probe 1 wurde festgestellt, dass die Leckagemenge auf über 1,0 mL/min anstieg und die Luftdichtheit des Gehäuses 2 schlecht war. So wurde festgestellt, dass, wenn das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, 1,02% oder 2,00% der Masse W wie die Proben 3 und 4 enthält, die 0,2% Dehngrenze bei 650°C hoch gehalten wird und die Luftdichtheit des Gehäuses 2 hoch bleibt. Wenn das Material, aus dem das Gehäuse 2 besteht, 4 Massenprozent W enthält, ist die Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur schlecht. Der Gehalt an W im Werkstoff des Gehäuses 2 beträgt daher vorzugsweise 2 Masse-% oder weniger.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt, und es können auch andere Ausführungsformen konfiguriert werden, ohne dass vom Umfang der Offenbarung abgewichen wird. Die vorliegende Offenbarung umfasst verschiedene Änderungen und Veränderungen, die in den Rahmen eines Äquivalents fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017 [0001]
JP 138355 [0001]
JP 2009198422 A [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 6892-1 [0102]

Claims

Gassensor (1), aufweisend: ein Gehäuse (2) mit einem Aufnahmeloch (21); ein Sensorelement (3) mit einem Festelektrolyten (31) und Elektroden (32A, 32B), die auf beiden Seiten des Festelektrolyten angeordnet sind, wobei das Sensorelement allein oder über einen Isolator (4) in das Aufnahmeloch eingeführt vorgesehen ist; und ein aus einem Keramikpulver gebildetes Dichtelement (51), das einen Spalt (S1) zwischen dem Aufnahmeloch und dem Sensorelement oder dem Isolator ausfüllt, und wobei das Dichtelement durch einen Teil des Gehäuses zusammengedrückt wird, so dass der Spalt abgedichtet wird, und wobei das Gehäuse aus ferritischem Edelstahl mit einer 0,2%igen Dehngrenze von 80 MPa oder mehr bei 650°C besteht.
Gassensor (1), aufweisend: ein Gehäuse (2) mit einem Aufnahmeloch (21); ein Sensorelement (3) mit einem Festelektrolyten (31) und Elektroden (32A, 32B), die sich auf beiden Seiten des Festelektrolyten befinden, wobei das Sensorelement allein oder über einen Isolator (4) in das Aufnahmeloch eingeführt wird; und ein aus einem Keramikpulver gebildetes Dichtelement (51), das einen Spalt (S1) zwischen dem Aufnahmeloch und dem Sensorelement oder dem Isolator ausfällt, und wobei das Dichtelement durch einen Teil des Gehäuses zusammengedrückt wird, so dass der Spalt abgedichtet wird, und wobei das Material, aus dem das Gehäuse besteht, aus ferritischem rostfreiem Stahl gebildet ist, der, bezogen auf die Masse, 15 bis 25 % Cr, 0,01 bis 1,0 % Nb, 0,5 bis 4 % mindestens eines der Elemente W und Mo allein oder insgesamt und den folgenden Rest enthält: Fe und unvermeidliche Verunreinigungen einschließlich C, N, Mn und Si.
Gassensor nach Anspruch 2, wobei das Material, aus dem das Gehäuse besteht, 0,05 Masse-% oder weniger C enthält.
Gassensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Niederschlagsmenge der Laves-Phase in einer Mutterphase des Gehäuses weniger als 0,1 Masse-% beträgt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Material, aus dem das Gehäuse besteht, ferner 0,1 bis 0,6 Masse-% Ni enthält.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Härte eines gekrimpten Abschnitts, der Teil des Gehäuses ist, der das Dichtelement zusammendrückt, in einem Bereich von Hv220 bis Hv400 in seiner Vickershärte liegt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter aufweisend: eine Heizung (35) mit einem Heizelement (352), das das Sensorelement beheizt; und einen Kontaktanschluss (54), der einen Leitungsabschnitt (321) der Elektroden des Sensorelements oder einen Leitungsabschnitt (353) des Heizelements kontaktiert.